中科院深圳先進研究院喻學鋒Angew. Chem. Int. Ed.: 平面黑磷/二磷酸鹽異質結構的高效電催化

【引言】

黑磷（BP），作為一種具有二維層狀結構的直接帶隙層狀半導體材料，因其優異的光學和電學性能被視為新的“超級材料”，在半導體工業、光電器件、光學探測、生物醫藥等多個領域展現出巨大的潛在應用價值。隨著液體剝離技術的進步，單分散BP納米片已經被合成，用于鋰離子電池、光伏、傳感和催化等方面。由于其表面積大，電荷載流子擴散路徑長，載流子遷移率較高，使得BP納米片可以作為水電解的電催化劑，產生氫氣和氧氣。但是BP的穩定性很容易受到影響，例如單分散BP納米片的制備需要通過長時間的超聲處理或剪切剝離，在此期間BP層逐漸裂開，在邊緣和表面產生缺陷。這些缺陷不僅導致BP納米片的快速降解，而且還破壞了其導電性和電化學活性，因此在許多應用中，特別是在長期催化中仍存在著一些問題。

【成果簡介】

近日，中國科學院深圳先進技術研究院喻學鋒教授（通訊作者）團隊聯合香港城市大學設計了一種簡單的溶劑熱方法，通過在BP納米片上的缺陷邊緣選擇性地生長Co₂P來合成二維黑磷/磷酸二鈷(BP/Co₂P)異質結構。Co₂P的引入不僅改善了缺陷，而且還提供了有效的電催化位點，提高了析氫反應（HER）和析氧反應（OER）中的電催化活性。(BP/Co₂P)異質結構納米片即使在在高電位和大電流密度下也能夠提供穩定且優異的HER和OER性能。相關研究成果以“In-Plane Black Phosphorus/Dicobalt Phosphide Heterostructure for Efficient Electrocatalysis”為題發表在Angewandte Chemie International Edition上。

?【圖文導讀】

圖1 BP/Co₂P異質結的合成示意圖及其相關表征

（a）BP/Co₂P異質結構的合成示意圖

（b）大塊BP的SEM圖像

（c，d）BP和BP Co₂P納米片的TEM圖像

（e）BP和BP/Co₂P納米片的XRD譜圖

（f）大塊BP以及BP和BP/Co₂P納米片的拉曼散射光譜

圖2 BP / Co₂P納米片的物理性能表征

（a）一個BP / Co₂P納米片的TEM圖像

（b）對應于（a）中的邊緣位置的Co₂P的HR-TEM圖像

（c）對應于（a）中的中心位置的BP的HR-TEM圖像

（d）一個BP / Co₂P納米片的線掃描AFM圖像

（e,h）一個BP / Co₂P納米片的HAADF圖像和EDS圖

（i,k）BP納米片、BP/Co₂P納米片的XPS譜

（l）BP/Co₂P異質結構的合成機理示意圖

圖3 BP納米片的電催化性能

（a）BP，BP/Co₂P和Pt/C在0.5 M H₂SO₄和1.0 M KOH中的HER極化曲線

（b）HER極化曲線的BP，BP/Co₂P和Pt / C的對應塔菲爾曲線

（c）BP和BP/Co₂P納米片的EIS曲線

（d）在0.5 M H₂SO₄和1.0 M KOH中對BP/Co₂P的穩定性評估

圖4 BP納米片的電催化性能

（a）BP，BP/Co₂P和RuO₂在1.0 M KOH中的OER極化曲線

（b）BP，BP/Co₂P和RuO₂的OER極化曲線的對應塔菲爾圖

（c）BP/Co₂P作為催化劑的水分解示意圖

（d）BP/Co₂P在1.0 M KOH中水分解的極化曲線

【小結】

本文通過在BP缺陷/邊緣位置原位還原Co合成了面內BP/Co₂P異質結構。即使在大的電位和電流密度下，BP/Co₂P納米片也能夠提供穩定且優異的HER和OER性能。考慮到缺陷影響BP的性能和穩定性，合理利用缺陷是提高BP納米片穩定性和性能的一種新的有效的方法。同時，制備單分散和平面BP異質結構的化學方法，可以擴展到生產其他BP基納米復合材料的應用中。

文獻鏈接：In-Plane Black Phosphorus/Dicobalt Phosphide Heterostructure for Efficient Electrocatalysis(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI:10.1002/anie.20170859)

本文由材料人編輯部新人組黃新月編輯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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